热岛效应
热岛效应是城市气候的主要特征之一。由于城市中辐射状况的改变，工业余热和生活余热的存在，蒸发耗热的减少而形成的城市市区温度高于郊区温度的一种小气候现象。
1、简介
热岛效应是自1960年代开始，在世界各地大城市所发现的一个地区性气候现象。中心的高温区就象突出海面的岛屿，所以就被形象地称为热岛。常见的是城市热岛效应，即城市气温高于郊区气温的现象。另外还有非城市热岛效应，如青藏高原的热岛效应等。
2、定义
热岛效应是由于人们改变城市地表而引起小气候变化的综合现象，是城市气候最明显的特征之一。由于城市化的速度加快，城市建筑群密集、柏油路和水泥路面比郊区的土壤、植被具有更大吸热率和更小的热容量，使得城市地区升温较快，并向四周和大气中大量辐射，造成了同一时间城区气温普遍高于周围的郊区气温，高温的城区处于低温的郊区包围之中，如同汪洋大海中的岛屿，人们把这种现象称之为城市热岛效应。
大城市散发的热量可以达到所接收的太阳能的2/5，从而使城市的温度升高，这就是常说的热岛效应。
3、成因
气候条件是造成城市热岛效应的外部因素，而城市化才是热岛形成的内因。一般认为热岛成因有三：
热岛效应
一是城市与郊区地表面性质不同，热力性质差异较大。城区反射率小，吸收热量多，蒸发耗热少，热量传导较快，而辐射散失热量较慢，郊区恰相反
二是城区排放的人为热量比郊区大。
三是城区大气污染物浓度大，气溶胶微粒多，在一定程度上起了保温作用。
大气污染在城市热岛效应中起着相当复杂特殊的作用。来自工业生产、交通运输以及日常生活中的大气污染物在城区浓度特别大，它像一张厚厚的毯子覆盖在城市上空，白天它大大地削弱了太阳直接辐射，城区升温减缓，有时可在城市产生“冷岛”效应。夜间它将大大减少城区地表有效长波辐射所造成的热量损耗，起到保温作用，使城市比郊区“冷却”得慢，形成夜间热岛现象。
4、研究概况
1818年英国的霍华德（Howard）首先发现伦敦城市和郊区的气温温差现象，并将此发现公布于《伦敦气象》杂志。1820年又在《伦敦的气候》一书中把这种现象称为“UrbanHeatIsland”（UHI）和“HotIslandEffect”，即“城市热岛”和“热岛效应”。
以后世界许多气象学者对城市气候变化特征的研究都相继发现了城市地区气温比以外地区高的现象。根据著名城市气象学家Oke的研究，可以在城市冠层（UrbanCanopyLayer，UCL）和城市边界层（UrbanBoundaryLayer，UBL）以及城市地表（UrbanSurface）上定义大气热岛。UCL指城市大气从地表向上延伸至建筑物平均高度处，而UBL就是位于UCL之上并始终受到城市地表影响的那一层。UCL城市热岛主要由在标准气象高度（Screen\|level）上的传感器或绑定在交通工具上的传感器测量所得。UBL城市热岛是由更专业的传感器平台，例如高塔、声雷达、探空气球等设备测量所得。由热红外遥感观测到的城市热岛称为地表城市热岛（SUHI，SurfaceUrbanHeatIsland），在SUHI有效辐射源区看到的地表依赖于传感器的几何视场和地表结构。由于城市地表的三维结构，可能无法看到完全城市地表中很重要的部分。与空气温度热岛的直接现场测量相比，热红外遥感所得的地表城市热岛是间接的测量，需要考虑大气的影响以及包括在传感器波长范围内影响辐射发射和反射的地表辐射特性。
5、变化特征
时间变化特征
（1）日变化特征
城市热岛强度有着明显的日变化。一般情况下，在风速较小的晴空或少云天气条件，城市热岛强度大都是夜晚强，午间弱。Oke根据中纬度的大量实测记录归纳出在“理想状态”（地形平坦，天气晴朗，小风）下城市热岛强度日变化的模式曲线，显示出日落后由于城区气温下降缓慢，相对于快速降温的郊区形成热岛，以日落后3～5小时，约21时达到最强。子夜以后热岛强度逐渐减小，日出后到近中午城郊温差变得很小，甚至有时郊区气温可高于城区。这是由于日出后在市区有建筑物阻挡，太阳不易直射地面，而郊区地势空旷，太阳高度角还很低时即能接收太阳直接辐射而迅速加热，造成市区升温比郊区迟，升温率比郊区小，热岛强度又逐渐减弱，至午后13时达到最弱。通过对上海城区和近郊的自动气象观测记录分析表明，上海市城市热岛全年出现概率为87.8%，月平均热岛强度值大于0.8℃；热岛强度日变化明显，存在24小时的主要周期和12小时的次周期，一般是夜间热岛强于白天。北京地区的热岛效应一般也是夜间强于白天。
（2）季节变化特征
城市热岛强度还有明显的季节变化，但不同城市的热岛强度随季节变化略有差异，主要因区域气候和人为因素而异。城市热岛一般出现在高气压影响下，少云、小风、湿度小、大气稳定的天气条件。我国大部地区属季风气候区，城市热岛强度一般是秋冬强，春夏弱。主要原因是：
1）春夏大气多不稳定，城市大气污染物和热量易扩散到上空和郊外；
2）北方夏季和南方春夏雨水较多，水分蒸发消耗了热量，雨水还能淋洗大气污染物；
3）北方夏季和南方春季云量较多，同时覆盖市区和郊区，体现不出城市和郊区太阳辐射的差异。
秋冬季在冷高压影响下，空气干燥、少云雨，大气层结稳定，城市热岛较强。如北京城市热岛以冬季最强，夏季次之，春季最弱。沈阳、兰州等城市的热岛强度季节变化与北京基本一致。上海是秋季最强，夏季最弱；广州则是冬季最强，春季最弱。国外城市随所在气候区而呈现不同的季节变化，西欧和北美中纬度城市大都是夏秋强，冬季弱。如温泽尔市8—10月最强，加拿大的卡尔加里市则12月和1月最强，低谷出现在8—10月。
冬季取暖耗能和人为热源增加也是城市热岛效应季节差异的重要成因。国外不少大城市的热岛强度还存在周的变化，即周末休假日热岛强度减弱，工作日增强，与假日耗能减少有关。
空间变化特征
大量研究表明，世界上所有城市无论规模大小，纬度高低，位于沿海还是内陆，以及地形、环境不同，都存在城市热岛效应。一般百万人口大城市的市区平均气温要比郊区高出0.5～1.0℃，城市越大，热岛效应越显著。
一般情况下气温在城市与乡村交界处有一个突变，随着向近郊、住宅区和商业区深入气温逐渐上升，最高温度出现在市中心商业区或其他人口高密度地区。在某种程度上植被覆盖和人口低密度区域能够缓解热岛效应，例如高尔夫球场、公园、游乐场、大面积绿地和水体等。北京地区城区与郊区温度是同位相升降，且郊区温度一直低于城区。其温差维持并同位相振荡，温度逐年升高，城区与郊区温差逐年增大，表明北京热岛效应一直稳定存在，而且北京的热岛效应在随时间加剧。以海淀为代表的北京城区大部热岛效应显著，门头沟、石景山、丰台、房山和通县等地是局地升温的显著区域。因此，北京具有城市、卫星城市“热岛”多中心的复杂特征。
城市热岛与城市化程度（包括建筑面积、人口规模与密度、工业、交通运输等）以及城市的几何形状、自然地理环境、人类活动方式等有密切的关系：
（1）城市面积、人口规模和密度愈大，城市热岛强度愈强；
（2）城市建筑密度愈大，热岛强度愈大；
（3）与城市土地利用性质有关。工商业和住宅用地为主的街区是热岛中心所在，绿地和水域为凉区所在。下垫面不透水面积所占比例愈大，热岛强度愈大；
（4）随下垫面形状、街谷和建筑布局而异。城市街谷随天穹可见度减小，下垫面温度明显升高。夜间街谷气温比广场高，白天则相反。街谷内的部位不同，受太阳直接照射的时间也不同，局地气温也有明显的差异。城市呈团块状紧凑布局的，市中心增温效应强；城市呈条带状或星状分散布局，则市中心增温效应弱；
（5）随区域气候条件而异。高纬度寒冷地区城市取暖耗能多，人均排放热量大，热岛强度增大。常年潮湿多云雨多风地区，城市热岛强度偏弱，甚至有时气温反而比郊区低。如上海和广州虽然城市规模大，城区人口密度大，但热岛强度反比北方同等规模的城市要小。世界上热岛最强的是中高纬度的大中城市，如加拿大的温哥华1972年7月4日热岛强度达11℃，德国柏林曾达133℃，位于北极圈附近的美国阿拉斯加州费尔班克斯市曾达14℃。利用北京市近40年气候资料研究市区与郊区平均气温的日、季、年和年代际变化特征，发现40年中以1995年11月24日市区与郊区日平均气温的温差最大，达4.6℃。美国对一些大城市人为热源比例的调查，来自工厂、家庭炉灶、空调、采暖等固定热源的约占3/4，而汽车、摩托、电车等移动热源约占1/4，人体和家畜等新陈代谢热量一般不到1%；
（6）因气象条件和人为因素不同而出现非周期性变化。如辐射、云、雨、风速、湿度、大气层结等气象条件和空调，采暖能耗和机动车流量都对城市热岛效应的强弱和变化产生很大影响。
6、负面影响
对人体健康的影响
中低纬度的夏季，城市热岛效应会加重高温出现频率和热浪灾害。与过热有关的死亡大多发生在持续高温期间，美国气象部门规定连续五天最高气温达到或超过95F°作为热浪的指标，中国气象局则规定未来24小时以内最高气温将升至37℃以上要发布橙色高温预警信号，升至40℃以上要发布红色高温预警信号。酷热除引发中暑外。还使脑血管病、心脏病和呼吸道疾病的发病率增多，特别是老年人的死亡率升高更为明显。Mearns等（1984）使用一个概率模型对美国几个城市进行研究，发现平均气温上升3F°就会使热浪发生可能性增加两个百分点或更多。Buechley等发现热浪期间整体死亡率随着日最高气温呈指数上升。虽然最高温度在白天出现，但夜间的过高温度对死亡率的上升影响更大。美国平均每年超过1000人死于过热，远高出其他天气原因导致的死亡人数。1995年一场破坏性热浪导致芝加哥超过500人死亡（USAToday，19July1995）。1999年美国亚特兰大市中部气温比周围郊区气温高出10F°，据15个城市的统计，酷热期间死亡率为平时的4～7倍。有人对我国安徽合肥等四个城市统计，酷热期间死亡率比正常年份的同期要高出55％～151%。
加剧城市大气污染
城市热岛效应还影响大气污染物的分布特征，使城区环境综合质量下降。如空气负离子急剧减少，污染物和粉尘含量急升，二次污染使城市成为细菌和病毒的温床，引发传染病等。同时，按照范托夫（VantHoff）定律和阿伦尼乌斯（Arrhenius）定律，化学反应的速率随着温度的上升而加快，城市气温增高也会加快大气化学循环，导致地表臭氧浓度增加。更高的温度还会增加生物碳氢化合物的发散及人工合成不稳定有机物的挥发，这两者都与对流层中臭氧的生成相关。
热岛区有多层逆温现象，不利于大气污染物的扩散，郊区向市中心的辐合流也可将郊区工业污染物带入，使城区的大气污染变得更为严重。1873年以来，世界许多城市先后发生过多起因城市热岛效应造成工业废气烟雾导致人畜中毒的事件，引起了人们对城市环境空气质量和城乡气候差异问题的关注。1948年美国宾夕法尼亚的多诺拉事件就是工厂排放烟雾在谷地逆温条件下形成浓雾，酿成数十人死亡，6000多人住院治疗的严重大气污染事件。影响最大和最有代表性的大气污染事件是1952年12月5—8日，发生在英国伦敦的烟雾事件。在短短4天时间内，在城市上空40～150m的低空出现强烈逆温，使泰晤士河谷的烟雾弥漫一周之久，死亡4000多人。
对城市经济的影响
气温过高会严重影响人们的舒适度和工作效率，但为防暑降温使用电风扇和空调消耗的能量也十分可观，估计美国由于热岛效应空调制冷而多付出电费约每小时100万美元。Konopacki和Akbari估计休斯顿如实施热岛减缓措施，在城区造林并在屋顶使用高反射率材料，每年能节省8亿多美元，减少碳排放约60万吨。据北京电力公司测算，北京夏季高峰期空调电负荷约占北京市用电负荷的40%，室内空调温度每调高1摄氏度，空调机的功率下降5%～8%。照此推算，如果全市空调都能够调高1℃，则全市用电负荷就可以下降20多万千瓦。可见，城市热岛效应对城市经济有着重要影响。
对城市气候特征的影响
城市热岛效应也会改变城市内及周围地区的其他气候因子，包括云、雾和霾的形成、闪电发生及降水，使局地大暴雨或强雷暴频率增大。在排水不畅的情况下容易形成内涝。这是由于热岛增大了城乡温度梯度，使城市空气容易抬升成云甚至产生雷暴，热岛环流还产生了来自郊外的乡村风，加剧城市对流的形成。
另外，温度观测表明全球地表平均温度在过去一个世纪有显著的增加，其中部分是由于全球温室效应，部分则来自于城市热岛效应。由于许多原来位于郊区的气象站随着城市的扩展周围环境已变成城区，城市热岛会使区域及全球温度记录产生偏差。为准确确定全球变暖程度，必须滤除这样的偏差。Karl等调查发现20世纪的城市化对美国气候记录产生了0.06K的增温偏差。城市热岛幅度通常都在几摄氏度左右，与预计21世纪的全球变暖幅度类似。因此，城市热岛也可以作为小尺度上全球变暖的研究对象。由于目前一半以上的世界人口都受到了城市热岛的影响，城市人口快速增长的都是发展中国家，它们又缺乏城市规划和缓解热岛效应的技术，因此，将使城市环境问题变得更加严重。